Ученые из Центра фотоники и двумерных материалов МФТИ с коллегами из Китая и ОАЭ разработали новые способы динамического управления электромагнитным экранированием. Они использовали пленки из двумерных материалов максенов (MXenes) для создания адаптивной защиты электроники будущего. Это исследование, опубликованное в журнале Physical Review Materials, открывает новые возможности контроля связи 6G.
Мир готовится к переходу на стандарты связи шестого поколения (6G) и терагерцовые (ТГц) технологии больше внедряются в медицину и системы безопасности. Из-за этого возникает проблема нового типа загрязнения — электромагнитного «тумана» в ТГц-диапазоне. Традиционные методы экранирования работают как глухая стена: они полностью блокируют излучение без возможности управления. Для сложных адаптивных систем требуется не стена, а «умное окно», способное открываться и закрываться по необходимости.
Авторы исследования нашли решение: тонкие пленки из максенов динамически изменяют свои экранирующие свойства. Применение технологии варьируется от создания каналов связи «по требованию» в сетях 6G до разработки высокочувствительных детекторов и адаптивных камуфляжных покрытий.
«Новизна исследования заключается в переходе от пассивной защиты к активному управлению,— рассказывает Мария Бурданова, один из ключевых авторов исследования, старший научный сотрудник Центра фотоники и двумерных материалов МФТИ и ИОФ РАН.— Мы не просто создали эффективный щит, мы разработали механизмы, позволяющие изменять его свойства в реальном времени, адаптируя материал к текущим задачам».
Максены— семейство двумерных материалов, сочетающих высокую металлическую проводимость с легкостью и гибкостью. Карбид титана (Ti₃C₂Tₓ), эффективно поглощающий ТГц-излучение, использовался в исследовании. Однако его оптические свойства оставались неизменными. Физики разработали два взаимодополняющих подхода к управлению поглощением разработанных пленок.
Первый способ— электрохимический— подобен технологии «умного стекла». Ученые интегрировали пленку в прозрачную ячейку с ионной жидкостью. При подаче напряжения (до +2Вольт) ионы перераспределяются, значительно увеличивая концентрацию носителей заряда в материале. Это позволяет плавно регулировать поглощение материала аналогично изменению затемнения в современных электрохромных окнах. Эффективность экранирования возрастает более чем в 1,5раза, достигая показателя 40000дБг⁻¹см², что в восемь раз выше, чем у графена. Это дает возможность переключать материал из полупрозрачного состояния в режим максимальной защиты.
Второй подход обеспечивает сверхбыстрое управление. Ученые облучали пленку ультракороткими фемтосекундными лазерными импульсами и обнаружили контринтуитивный эффект— отрицательную фотопроводимость.
«В большинстве полупроводников свет увеличивает проводимость. Но в металлических системах, таких как максены, оптическое возбуждение быстро "разогревает" электроны и кристаллическую решетку. Это приводит к увеличению рассеяния электронов и, как следствие, к снижению проводимости»,— поясняет Максим Пауков, соавтор работы и сотрудник Центра фотоники и двумерных материалов МФТИ.
В результате под воздействием света материал временно становится более прозрачным для ТГц-излучения. Этот процесс происходит за пикосекунды (триллионные доли секунды) и полностью обратим.
«Электрический контроль требует нескольких секунд из-за медленной диффузии ионов, тогда как оптический срабатывает мгновенно. Это позволяет нам на короткое время „открыть окно” в непроницаемом экране для сеанса связи и тут же его закрыть»,— добавляет Максим Пауков.
Сочетание медленной, но глубокой электрической настройки и сверхбыстрого оптического переключения делает пленки Ti₃C₂Tₓ идеальной платформой для нового поколения ТГц-устройств.
«Мы показали, что максены— не просто материал для экранирования, а многофункциональная платформа для управления электромагнитным спектром терагерцового диапазона частот,— заключает Мария Бурданова.— Это важный шаг к созданию адаптивных терагерцовых устройств будущего».
В исследовании вместе с учеными из Центра фотоники и двумерных материалов МФТИ принимали участие их коллеги из Института общей физики им.А.М.Прохорова РАН, Института физики твердого тела РАН, Сколтеха, Института катализа им.Г.К.Борескова СОРАН, Столичного педагогического университета и Пекинской ключевой лаборатории метаматериалов и устройств (Китай).
Центр фотоники и двумерных материалов МФТИ — это хаб инновационных исследований мирового уровня, где наука превращается в технологии и решения для бизнеса и общества. Центр основан в 2016 году и объединяет 10 лабораторий, ориентированных на опережающие исследования с применением в промышленности и высокотехнологичных отраслях, включая энергетику, нефтегазохимическую сферу, телекоммуникации, IT, медицину и другие индустрии.
Работа выполнена при финансовой поддержке Российского научного фонда (Проект №24-79-00143).
Изображение: а) Фотографические изображения Ti3C2Tx различной толщины (350, 700, 1300 нм) вместе с чистой подложкой (справа налево); с) изображения атомно-силовой микроскопии вблизи края пленки сопровождаются соответствующими многократно усредненными сечениями. Источник: журнал Physical Review Materials
Источник: МФТИ
